DE4212625A1 - Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff.

Im folgenden werden als Bezeichnungen für gasförmigen bzw. flüssigen Wasserstoff die Abkürzungen GH₂ (gaseous hydrogen) bzw. LH₂ (liquid hydrogen) verwendet.

Wasserstoff gewinnt gegenwärtig durch zunehmenden Energiebedarf und gestiegenes Umweltbewußtsein als Energieträger immer mehr an Bedeutung. So sind Überlegungen im Gange, in naher Zukunft Flugzeuge, Lastkraftwagen, Busse sowie Personenkraftwagen mittels mit Wasserstoff betriebener Turbinen bzw. Motoren anzutreiben. Die Speicherung des Wasserstoffs an Bord der obengenannten Verkehrsmittel ist dabei in flüssiger Form am sinnvollsten. Zwar muß der Wasserstoff dazu auf etwa 25 K abgekühlt und auf dieser Temperatur gehalten werden, was nur durch entsprechende Isoliermaßnahmen an den Speicherbehältern bzw. -tanks zu erreichen ist, doch ist eine Speicherung in gasförmigem Zustand aufgrund der geringen Dichte von gasförmi­ gem Wasserstoff in der Regel in den obengenannten Verkehrs­ mitteln nicht realisierbar. Aus sicherheitstechnischen Gründen bedarf es bei wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen weiterer Sicherheitsmaßnahmen - auf die hier jedoch nicht näher einge­ gangen wird - so daß die notwendige Isolation des Speicherbe­ hälters nicht nur dem Aufrechthalten der Temperatur dient. Einen Überblick über den aktuellen Stand der Wasserstoff-Ent­ wicklung im Hinblick auf seine Verwendung als Kraftstoff geben z. B. die Artikel "Flüssiger Wasserstoff als Motorenkraftstoff der Zukunft", Prof. Dr. W. Peschka, Sonderdruck aus "Maschinen­ welt-Elektrotechnik", 43. Jg, Heft 8/9-1988 und "Liquid Hydro­ gen Fueled Automobiles: On-Board and Stationary Cryogenic Installations", R. Ewald, Cryogenics 1990, Vol. 30 Sept. Supplement.

Wasserstoffgetriebene Motoren benötigen GH₂ bei 3 bis 4 bar Überdruck. Die Betankung des Speicherbehälters bzw. -tanks erfolgt mit LH₂ mit einer Temperatur von etwa 20 K bei geringem Überdruck. Aus diesem Grund ist es notwendig, vor Beginn des Fahrbetriebes einen Druckaufbau im Speicherbehälter durchzuführen. Dies geschieht bisher durch das Einblasen von Wasserstoff aus externen Gasflaschen über die Betankungsleitung des Speicherbehälters in die Flüssigkeit. Da der Druckaufbau gegenwärtig noch tankstellenseitig erfolgt, resultiert daraus eine Verkomplizierung und zeitliche Verzögerung des Betankungs­ vorganges.

Damit während des Fahrbetriebes ein Aufrechthalten des notwen­ digen Druckes von 3 bis 4 bar möglich ist, wird LH₂ im Speicherbehälter verdampft. Dies geschieht mittels einer am Behälterboden angeordneten elektrischen Heizung.

In der gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung eingereichten Patentanmeldung P . . . . . . . . . . (internes Aktenzeichen H 92/??) wird ein Speicherbehälter mit einer im Speicherbehälter integrierten Mammutpumpe beschrieben, der die zum Druckaufbau und Druckerhaltung notwendigen Abläufe schneller, einfacher und sicherer durchführt.

Wird eine Versorgung des Motors mit LH₂ gewünscht, wie dies z. B. bei Motoren mit einer inneren Gemischbildung der Fall ist, macht die Verwendung einer Mammutpumpe keinen Sinn.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Speicherbehälter für LH₂ anzugeben, der die Versorgung eines Kraftfahrzeugmotors mit LH₂ auf eine regeltechnisch einfache und wenig störanfällige Weise erlaubt.

Diese wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Speicherbehälters eine mechanische Pumpe angebracht ist, deren Austrittsleitung in den Gasraum des Speicherbehälters hinein­ ragt, und daß an dem gasraumseitigen Ende der Austrittsleitung ein Überlaufgefäß befestigt ist.

Die mechanische Pumpe fördert den LH₂ über ihre Austritts­ leitung in das im Gasraum des Speicherbehälters angeordnete Überlaufgefäß. Eine zwischen dem Speicherbehälter und Motor angeordnete Einspritzpumpe fördert den LH₂ anschließend unter hohem Druck direkt in den Brennraum des Motors.

Der erfindungsgemäße Speicherbehälter zeichnet sich durch folgende Vorteile gegenüber den zum Stand der Technik zählenden aus:

Da der Speicherbehälter nahezu drucklos betrieben werden kann, erhöht sich die Sicherheit des Wasserstoffsystems hinsichtlich einer Freisetzung von Wasserstoff bei einem Unfall. Darüber hinaus kann auf ein Druckaufbau- und Druckhaltesystem, wie bei den zum Stand der Technik zählenden Speicherbehältern notwen­ dig, verzichtet werden. Zudem ergibt sich eine Verkleinerung des notwendigen Steuermechanismus, d. h. das Speichersystem wird billiger und weniger störanfällig.

Als weiteren großen Vorteil läßt sich die Reduzierung der Wasserstoff-Verdampfungsverluste im Parkbetrieb des Kraftfahr­ zeuges erwähnen, der aus der Tatsache resultiert, daß größere über die Isolierung des Speicherbehälters einfallende Wärme­ mengen in den LH₂ abgeführt werden können, da eine Wärmeein­ bringung über das Druckaufbausystem und über die Stromzufüh­ rungskabel der Verdampfer-Heizung entfällt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherbehälters ist dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Speicherbehälters eine Einspeiseleitung führt, die an ihrem Ende eine Brause aufweist.

Mit der am Ende der Einspeiseleitung vorgesehenen Brause kann der einzuspeisende LH₂ fein verteilt durch den Gasraum zur Restflüssigkeit im Speicherbehälter abbrausen bzw. versprüht werden. Wird dabei der LH₂ über eine Pumpe aus dem statio­ nären Tank, in dem er bei einem Druck von etwa 1,2 bar gelagert ist, in den Speicherbehälter gefördert, kommt es zu einem Einkondensieren des im Speicherbehälter verbliebenen GH₂′s. Somit wird eine Abgabe von GH₂ während des Betankungsvorgan­ ges und ein daraus resultierender Kraftstoffverlust vermieden.

Durch den Wegfall des bisher verwendeten LH₂-Tauchrohres erhöht sich die Sicherheit des Speichersystems, da nunmehr nur die im Speicherbehälter eingeschlossene Gasmenge und die Gas­ menge, die bei einer Drucksenkung aus der Flüssigkeit verdampft - wie z. B. bei einem Leitungsbruch oder einer Ventilfehlschal­ tung -, in die Atmosphäre entweichen können. Der Speicherbe­ hälter wirkt somit als ein geschlossenes doppelwandiges Containment ohne Entleerungsmöglichkeit für den LH₂. Dieser Sicherheitsaspekt kann der Akkzeptanz des Betriebsmediums "Wasserstoff" nur dienen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem gasraumseitigen Ende der Austrittsleitung neben dem Überlaufgefäß eine Verdampfer-Heizung befestigt ist.

Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Speicherbehälters ermöglicht die Versorgung herkömmlicher Kraftfahrzeugmotoren mit LH₂ und/oder GH₂, da mittels der Verdampfer-Heizung ein Druckaufbau sowie ein Aufrechthalten des notwendigen Betriebs­ druckes von 3 bis 4 bar, der bei herkömmlicher Kraftfahrzeug­ motoren benötigt wird, erreicht wird. Der aus dem gasraumseiti­ gen Ende der Austrittsleitung austretende LH₂ gelangt auf die Verdampfer-Heizung, wird dort ganz oder teilweise verdampft und der LH₂ und/oder GH₂ über das Überlaufgefäß und die daraus wegführende Entnahmeleitung aus dem Speicherbehälter entnommen und dem Kraftfahrzeugmotor geführt.

Im Falle der Versorgung herkömmlicher Kraftfahrzeugmotoren mit LH₂ und/oder GH₂ wird die Erfindung weiterbildend vorge­ schlagen, daß im Inneren des Speicherbehälters mehrere, vertikal ausgerichtete und parallel zueinander angeordnete Bleche befestigt sind.

Selbstverständlich sind dem Fachmann weitere Vorrichtungen bekannt, wie z. B. Gestrickeinsätze, die ein Schwappen des LH₂′s wirkungsvoll verhindern. Die Rückkondensationsge­ schwindigkeit des GH₂′s in den LH₂ ist abhängig von der Oberflächenbewegung der Flüssigkeit. Aus diesem Grunde ist ein während des Fahrbetriebes auftretendes Durchmischen des LH₂′s mit dem GH₂ zu vermeiden. Mittels der oben beschrie­ benen Anti-Schwappeinbauten kann ein Schwappen des LH₂′s und ein damit verbundenes Vermischen von LH₂ und GH₂ wirkungs­ voll verhindert werden.

Die Erfindung sei im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Hierbei besitzen identische Bauteile gleiche Bezugs­ zeichen.

Fig. 1 zeigt einen zum Stand der Technik gehörenden Speicherbehälter 1 für LH₂ - der vorzugsweise in Kraftfahr­ zeugen zum Einsatz kommt -, wobei der Übersichtlichkeit halber in beiden Figuren auf eine Darstellung der für die Isolierung des Speicherbehälters notwendigen Bauteile verzichtet wird. In der Regel ist ein Befüllen des Speicherbehälters mit LH₂ nur bis etwa 95% des Speichervolumens zulässig. Über dem LH₂ 2 befindet sich ein Leervolumen 3. Über Leitung 4 wird der Speicherbehälter 1 während des Betankungsvorganges mit LH₂ befüllt. Am Ende der Betankungsprozedur wird über Leitung 4 OH₂ in die Flüssigkeit 2 gepumpt, um den für den Fahrbetrieb notwendigen Betriebsdruck von 3 bis 4 bar zu erzeugen. Nach Beendigung des Betankungsvorganges wird vor dem Beginn des Fahrbetriebes die am Boden des Speicherbehälters 1 angebrachte elektrische Heizung 6 eingeschaltet, um den Betriebsdruck aufrecht zu halten. Der für den Betrieb notwendige LH₂ wird über Leitung 4 entnommen, im Wärmetausch mit Motorkühlwasser verdampft und angewärmt (in der Figur nicht dargestellt) und dem Motor zugeführt. Das bei längeren Standzeiten notwendige Abblasen von GH₂ in die Atmosphäre geschieht über Leitung 5.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Speicherbehälter 1 mit einer mechanischen Pumpe. Die Einspeisung des LH₂ in den Speicherbehälter 1 erfolgt über die Einspeiseleitung 7. Diese ist an ihrem Ende mit einer Brause 8 versehen, so daß der LH₂ fein verteilt durch den Gasraum 3 zur Restflüssigkeit im Speicherbehälter 1 abbrausen bzw. versprüht werden kann. Der LH₂ wird mittels der mechanischen Pumpe 9 über eine Rohr 10 in das Überlaufgefäß 11 gefördert. Ist bei dem erfindungsge­ mäßen Speicherbehälter 1 eine Verdampfer-Heizung vorgesehen, so befindet sich diese in der Regel zwischen dem gasraumseitigen Ende der Austrittsleitung 10 und dem Überlaufgefäß 11. Aus dem Überlaufgefäß 11 wird der LH₂ anschließend über die Entnahmeleitung 12 dem Speicherbehälter entnommen.

Claims (4)

1. Speicherbehälter für flüssigen Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Speicherbehälters eine mechanische Pumpe angebracht ist, deren Austrittsleitung in den Gasraum des Speicherbehälters hineinragt, und daß an dem gasraumseitigen Ende der Austrittsleitung ein Überlauf­ gefäß befestigt ist.

2. Speicherbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Speicherbehälters eine Einspeiselei­ tung führt, die an ihrem Ende eine Brause aufweist.

3. Speicherbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an dem gasraumseitigen Ende der Austritts­ leitung neben dem Überlaufgefäß eine Verdampfer-Heizung befestigt ist.

4. Speicherbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Speicherbehälters mehrere, vertikal ausgerichtete und parallel zueinander angeordnete Bleche befestigt sind.